CH665068A5 - Dynamoelektrische maschine. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einer rotierenden Feldwicklung zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds und mit einem Statorkern, in dessen Nuten eine Mehrphasen-Anker-Hauptwicklung angeordnet ist, und mit einer statischen Erregeranordnung.

Erregeranordnungen für grosse Dynamomaschinen, wie beispielsweise Turbogeneratorsätze, welche von öffentlichen Stromversorgungsunternehmen benutzt werden, sind in der Nennleistung zusammen mit den Nennleistungen der Generatoren selbst gewachsen. Ältere Erregeranordnungen enthalten umlaufende Stromquellen, wie beispielsweise einen gesonderten, durch die Turbogeneratorwelle angetriebenen Gleichstromgenerator, der den Erregerstrom den umlaufenden Feldwicklungen über Schleifringe und Bürsten liefert. Bei einer weiteren Lösung wird ein Wechselstromerreger benutzt, der durch den Turbogenerator angetrieben wird, wobei die Gleichrichtung und Steuerung der Erregerspannung in äusseren stationären Gleichrichtergruppen erfolgt. Bei noch einer weiteren Lösung werden Diodengleichrichter auf dem Läufer verwendet. In diesen Anordnungen dreht sich die gesamte Gleichstromquelle, während die Steuerung über elektromagnetische Flussverkettungen mit den rotierenden Komponenten erfolgt. Ein Beispiel einer Erregeranordnung, die eine umlaufende Gleichrichtereinrichtung hat, findet sich in der US-PS 3 768 502 aus dem Jahre 1973.

Eine gesonderte Kategorie von Erregeranordnungen wird als «statisch» bezeichnet, weil sich die Erregerstromquelle nicht dreht, sondern stationär oder statisch ist. Eine Verbunderregeranordnung des statischen Typs ist beispielsweise in der US-PS 3 702 965 aus dem Jahre 1972 beschrieben. Diese Patentschrift beschreibt eine Erregeranordnung, die Energie sowohl aus Spannungswicklungen als auch aus Stromwicklungen empfängt. Aus diesem Grund wird der Begriff «Kompoundquelle» verwendet. Die Stromwicklungen liefern der Erregeranordnung elektrische Energie entsprechend dem Ausgangsstrom der Generatorankerwicklung, d.h. der Hauptmaschinenausgangswick-lung. Die Spannungswicklungen liefern elektrische Energie an die Erregeranordnung entsprechend der Spannung an den Ankerwicklungen. Diese Kompoundquellenerregeranordnungen haben einen Übertragungsfaktor von ungefähr 3,5 oder besser. Die Spannungswicklungen solcher Maschinen befinden sich üblicherweise in den Ständernuten, in denen sie über der Hauptankerwicklung liegen, von der sie aber isoliert sind. Die Stromwicklungen für die Erregeranordnung sind im allgemeinen um jede der drei typischen Phasen der Ankerausgangswick-lungsleitungen gewickelt.

Es sind jedoch einfachere Erregeranordnungen möglich, insbesondere dann, wenn ein hohes Ansprechverhältnis nicht erforderlich ist. Eine einfache Erregeranordnung findet sich beispielsweise in der US-PS 3 132 296 aus dem Jahre 1964. Die in dieser Patentschrift beschriebene Erregeranordnung ist jedoch allein auf das Ausnutzen der dritten und höheren Oberwellen (Harmonischen) der Grundfrequenz des Läufermagnetflusses gerichtet. Anordnungen wie sie dort beschrieben sind, sind für grosse Dynamomaschinen nicht praktisch. (Der hier verwendete Begriff «grosse Dynamomaschine» bezieht sich auf eine Maschine mit einer Nennleistung von mehr als ungefähr 50 MW.) Die dritte Oberwelle oder andere höhere Oberwellen sind nicht in der Lage, dem Erregersystem ausreichend Strom zu liefern, damit so hohe Werte der Generatorausgangsleistung erzeugt werden. Anders als die Kühlerfordernisse von grossen Maschinen sind die Kühlerfordernisse für die Erregeranordnungsteile einer Maschine, bei der nur die dritte oder höhere Oberwellen des Läufermagnetflusses benutzt werden, minimal. Gewisse Erregeranordnungsteile von grossen Maschinen erfordern jedoch eine Kühlung, um wirksam und zuverlässig über längere Zeit arbeiten zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, billiges und zuverlässiges Erregersystem für eine grosse Dynamomaschine zu schaffen, wobei die Erregeranordnung ein hohes Anfangsansprechvermögen haben soll.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Maschine erfindungsgemäss gelöst durch eine Mehrphasen-Erregerwicklung in Form mindestens eines elektrisch leitfähigen Stabs pro Phase, welche Stäbe in den Nuten des Statorkerns derart angeordnet sind, dass jeder Phase der Hauptwicklung eine Phase der Erregerwicklung zugeordnet ist, und durch einen inneren Mehrphasen-Erregertransformator mit einer Mehrphasen-Pri-mär- und einer Mehrphasen-Sekundärwicklung, wobei jede Primärwicklung mit einer Phase der zugeordneten Erregerwicklung elektrisch verbunden ist und die Primär- und die Sekundärwicklung des Erregertransformators induktiv lose gekoppelt sind, um zur Begrenzung eines raschen transienten Stromflusses von der Erregerwicklung Streureaktanzen zu bilden, und durch einen Gleichrichter, der zur Aufnahme elektrischer Leistung, die von der in der Erregerwicklung im Statorkern von dem rotierenden Magnetfeld induzierten Spannung erzeugt wird, mit der Sekundärwicklung des Erregertransformators verbunden ist und der einen Erregergleichstrom für die rotierende Feldwicklung liefert.

Die Erregerwicklung ist vorzugsweise derart angeschlossen, dass beim Betrieb der Maschine die Frequenz der von der rotierenden Feldwicklung in der Erregerwicklung induzierten Wech5

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selspannung der Grundfrequenz des von der rotierenden Feldwicklung erzeugten Magnetflusses entspricht.

Der Transformator ist vorzugsweise im Strömungsweg des Kühlfluids der Maschine angeordnet und kann entweder, aus voneinander getrennten Einphasentransformatoren oder einem Mehrphasen- und beispielsweise Dreiphasentransformator bestehen.

Die dynamoelektrische Maschine nach der Erfindung ist einfach und zuverlässig. Darüber hinaus erfordert die Erregeranordnung dieser Maschine keine Stromwicklungen und kostet demgemäss weniger als Kompoundquellenerregeranordnungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schema des elektrischen und mechanischen Aufbaus der Erregeranordnung nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Schaltbild, das insbesondere den Erregertransformator veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt die Erregeranordnung nach der Erfindung, die in einem grossen dynamoelektrischen Generator, wie er beispielsweise durch ein öffentliches Stromversorgungsunternehmen zur Energieerzeugung verwendet wird, benutzt wird. Der Generator hat ein äusseres, unter Druck setzbares Gehäuse 15, durch welches ein Kühlfluid, wie beispielsweise Wasserstoffgas, zum Kühlen der Maschine hindurchgeleitet wird. Innerhalb des unter Druck setzbaren Gehäuses 15 ist ein Ständer 11 angeordnet, der einen herkömmlichen Aufbau hat, beispielsweise den in der oben erwähnten US-PS 3 702 965 beschriebenen, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Der Ständer ist üblicherweise' aus einer grossen Anzahl von sektorförmig gestanzten Metallblechen aufgebaut, die übereinander gestapelt sind, so dass ein hohlzylindrisches Gebilde vorhanden ist, dessen Innenumfang mehrere Längsnuten besitzt, in denen die Hauptwicklungen 12 angeordnet sind. Von den Hauptwicklungen 12 wird die elektrische Ausgangsleistung des Generators über Hochspannungsdurchführungen 22 abgegeben. Innerhalb des hohlzylindrischen Teils des Ständers 11 ist ein Läufer 10 angeordnet, der üblicherweise mit einer Dampfturbine od.dgl. gekuppelt ist. Um das Kühlfluid 28 innerhalb des Generators zu halten, sind Dichtungen 27 vorgesehen. Der Läufer 10 ist ein grosses zylindrisches Schmiedeteil aus Metall, in das Längsnuten eingeschnitten worden sind. In diesen Nuten befinden sich typischerweise zwei oder mehr als zwei Feldwicklungen 13. Diese Feldwicklungen 13 werden durch die Erregeranordnung nach der Erfindung erregt. Die Feldwicklungen 13 erzeugen ein radial gerichtetes Feld magnetischen Flusses, das die Haupt Wicklungen 12 während der Drehung schneidet, wodurch die gewünschte elektrische Ausgangsleistung erzeugt wird.

Wegen der grossen Mengen an elektrischer Energie, die durch Dynamomaschinen der in Fig. 1 dargestellter Art erzeugt werden, können auch die kleinsten Verluste, die im Maschinenbetrieb auftreten, sehr kostspielig sein und grosse Mengen an Wärmeenergie innerhalb der Maschine erzeugen, welche für den langfristigen und zuverlässigen Betrieb, der durch den vorgesehenen Gebrauchszweck verlangt wird, abgeführt werden müssen. Aus diesen Gründen werden die Hauptwicklungen 12 typischerweise mit einem flüssigen Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, gekühlt. Das lässt sich relativ einfach durchführen,

weil die Hauptwicklungen stationär sind. Es ist jedoch auch notwendig, den Läufer 10 zu kühlen. Das erfolgt typischerweise durch Hindurchleiten eines Kühlfluids 28, wie beispielsweise Wasserstoffgas, das bevorzugt wird, weil es nicht nur in der Lage ist, grosse Mengen an Wärmeenergie zu absorbieren und zu transportieren, sondern auch deshalb, weil seine Dichte Lüftungsverluste in der Maschine verringert. Mittels an dem Läufer befestigter Gebläse (nicht dargestellt) und anderer herkömmlicher Fluidumwälzvorrichtungen wird das Kühlfluid 28 an Kühlern 14, 19 vorbei geleitet, die in Kuppeln 16 und 17 an der

Oberseite des Generators angeordnet sind. Diese Kühler führen Wärme aus dem Kühlfluid ab, bevor es zurück in das Innere des Hauptgeneratorgehäuses gleitet wird und insbesondere bevor es wieder zurück in den Spalt zwischen dem Läufer 10 und dem Ständer 11 geleitet wird.

Es wird nun die Erregeranordnung selbst und ihre Beziehung zu anderen Teilen des Generators betrachtet. Das wesentliche Merkmal der Erregeranordnung nach der Erfindung ist der Wicklungssatz 14a, 14b und 14c, der in Fig. 1 gezeigt ist. Die Wicklungen des Wicklungssatzes können einen oder mehrere leitende Stäbe aufweisen, die in den Ständernuten angeordnet sind. Diese Wicklungen sind die Spannungsquellenwicklungen der Erregeranordnung und werden allgemeiner als Potentialoder P-Stäbe bezeichnet. Diese Wicklungen sind in den Ständernuten zusammen mit der Hauptwicklung 12 angeordnet. Die P-Stabwicklungen müssen jedoch wesentlich weniger Strom führen als die Hauptständerwicklungen selbst. Typischer weise führen die P-Stabwicklungen Ströme von weniger als ungefähr 2000 A. Diese P-Stabwicklungen (insgesamt mit der Bezugszahl 14 bezeichnet) sind in den Nuten so angeordnet, wie es in der oben erwähnten US-PS 3 702 965 beschrieben ist. Typischerweise bestehen sie aus einzelnen Kupferstäben, die in Intervallen von 120° um den Innenumfang des Generatorständers angeordnet sind. Vorzugsweise ist einer dieser drei P-Stäbe in der obersten Nut in einem horizontalen Generatorständer angeordnet. Dadurch werden die unteren 120° des Ständers offen gelassen und sind für das Einführen des geschmiedeten Läufers während des Zusammenbaus des Generators besser zugänglich. An einem Ende sind sämtliche P-Stabwicklungen mit einer neutralen Erdleitung verbunden, so dass sie in einer elektrischen Sternschaltung angeordnet sind. Diese Funktion wird vorzugsweise erfüllt, indem die P-Stabwicklungsverbindungen aus der Kuppel 16 über eine Durchführung 23 hinaus- und zu einer Schaltung 25 geführt werden. Die Schaltung 25 erfüllt herkömmliche Sicherungs- und Leistungsschalterfunktionen für die Spannungswicklungen 14, und zwar sowohl einzeln als auch gemeinsam. An dem anderen Ende des Generators, dem Kollektorende, sind die P-Stabwicklungen 14 direkt mit dem Erregertransformator 18 verbunden. Dieser Transformator ist unten ausführlicher erläutert. Die Ausgangsleitungen des Transformators verlassen das unter Druck stehende Generatorgehäuse im Bereich der Kuppel 17 über eine Durchführung 24 und verbinden den Erregertransformator mit einer Gleichrichterbrücke 20. Die Gleichrichterbrücke gibt Gleichstrom an feststehende Bürsten und damit an Schleifringe 21 ab, die sich mit dem Läufer 10 drehen. Bei den Bürsten handelt es sich herkömmlicherweise um Kohlebürsten. Somit wird elektrische Energie, die in den P-Stabwicklungen in Form von Wechselstrom induziert wird, an den Erregertransformator 18 abgegeben, danach gleichgerichtet und an die Feldwicklung als Quelle für den umlaufenden magnetischen Fluss abgegeben. Es ist selbstverständlich bekannt, dass, da der Restmagnetismus in dem Läufer 10 im allgemeinen für die Zwecke des Generatorhochlaufes nicht ausreichend ist, im allgemeinen weitere elektrische Schaltungen (nicht dargestellt) vorhanden sind, die den Schleifringen 21 während des ersten Generatorhochlaufes elektrischen Strom liefern. Im An-schluss daran ist jedoch der Generator selbsterregt.

Fig. 2 zeigt ausführlich den Aufbau des Erregertransformators 18. Die Primärwicklung 29 des Transformators ist vorzugsweise im Stern geschaltet, und die Sekundärwicklung 30 des Transformators ist im Dreieck geschaltet. Eine der beträchtlichen Einsparungen, die durch die Erregeranordnung nach der Erfindung erzielt werden, ist die Beseitigung der Notwendigkeit von gewissen grossen linearen Blindschaltungen. Weil die Erregeranordnungsspannungen nicht mehr direkt von dem Ausgangsstrom abhängig sind, sind diese strombegrenzenden Reaktanzen in dem P-Stabkreis nicht mehr erforderlich. Statt dessen kann eine geeignete Reaktanz durch den Streufluss innerhalb

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des Erregertransformators selbst gebildet werden. Diese Streureaktanz ist durch Drosseln 26a, 26b und 26c innerhalb der ge-

stnçheU?n i Figi è îiiisflîfilîi Bs sii ìiumMù flcr gestrichelten Linie befindet, ist demgemäss eine vereinfachte Ersatzschaltung, und die Drosseln 26a, 26b und 26c brauchen nicht gesondert vorgesehen zu werden.

Es ist, wie oben erwähnt, erwünscht, dass die P-Stabwicklungen 14 keine grossen Ströme führen müssen, d.h. Ströme über ungefähr 2000 A. Das ist höchst erwünscht, weil gesonderte Kühleinrichtungen für die P-Stäbe nicht erforderlich sind. Da ein niedriger Strom in dem P-Stab in grossen Dynamomaschinen erwünscht ist, ist der Transformator 18 erforderlich, damit die Erregeranordnung in der Lage ist, elektrische Leistung in ausreichendem Masse an die Feldwicklung 13 abzugeben. Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Transformators, im Vergleich mit denjenigen, die in Verbunderregeranordnungen benutzt werden, besteht jedoch darin, dass nun die grosse Stromwicklung in dem Transformator nicht mehr erforderlich ist, wodurch die Kosten und die Komplexität seines Aufbaus beträchtlich verringert werden, ganz zu schweigen von seiner Grösse. Diese Grössenverringerung erleichtert das Unterbringen des Transformators in den Kuppeln des Kühlsystems, das bei grossen Generatoren gegenwärtig vorhanden ist.

Eine weiter Alternative zu der Generatorsystemauslegung, bei der es einen Strom niedrigen Wertes in den P-Stäben gibt,

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Das bringt keine nennenswerten Entwurfsprobleme mit sich, da 5 ausreichender Raum in den Ständernuten von Maschinen mit hohen Nennleistungen üblicherweise zur Verfügung steht.

Ein beträchtlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass ein kleinerer Erregertransformator 18 benötigt wird, weil die Stromwicklung nicht mehr erforderlich ist. Das erleichtert io das Unterbringen des Erregertransformators 18 in der Kühlkuppel 17 direkt in dem Strömungsweg des Generatorkühlmittels 28. Dadurch wird der Entwurf des Transformators weiter vereinfacht.

Die Gleichrichterbrücke ist eine herkömmliche dreiphasige 15 Vollwellengleichrichterbrücke mit Thyristoren zur Spannungssteuerung. Ausserdem kann auch der Transformator einen Satz von drei Zweiphasentransformatoren statt das einzelnen Dreiphasentransformators, wie dargestellt, aufweisen. In einer erwünschten Ausführungsform gibt es eine relativ schwache 2o magnetische Verkettung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, so dass eine ausreichende Streureaktanz zum Begrenzen des Stroms gebildet wird, wenn die Stromabgabe der Erregeranordnung gestört ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Dynamoelektrische Maschine mit einer rotierenden Feldwicklung (13) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds und einem Statorkern (11), in dessen Nuten eine Mehrphasen-An-ker-Hauptwicklung (12) angeordnet ist, und mit einer statischen Erregeranordnung, gekennzeichnet durch eine Mehrphasen-Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) in Form mindestens eines elektrisch leitfähigen Stabs pro Phase, welche Stäbe in den Nuten des Statorkerns (11) derart angeordnet sind, dass jeder Phase der Hauptwicklung (12) eine Phase der Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) zugeordnet ist, und durch einen inneren Mehrphasen-Erregertransformator (18) mit einer Mehrphasen-Primär- und einer Mehrphasen-Sekundärwicklung (29 bzw. 30), wobei jede Primärwicklung (29) mit einer Phase der zugeordneten Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) elektrisch verbunden ist und die Primär- und die Sekundärwicklung (29 bzw. 30) des Erregertransformators (18) induktiv lose gekoppelt sind, um zur Begrenzung eines raschen transienten Stromflusses von der Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) Streureaktanzen zu bilden, und durch einen Gleichrichter (20), der zur Aufnahme elektrischer Leistung, die von der in der Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) im Statorkern (11) von dem rotierenden Magnetfeld induzierten Spannung erzeugt wird, mit der Sekundärwicklung (30) des Erregertransformators (18) verbunden ist und der einen Erregergleichstrom für die rotierende Feldwicklung (13) liefert.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Transformator (18) im Strömungsweg des Kühlfluids (28) der Maschine angeordnet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (18) für jede Phase der Erregerwicklung (14a, 14b, 14c) einen getrennten Transformator enthält.

4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (18) als Dreiphasentransformator ausgebildet ist.

5. Maschine nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (14) drei Leiterstäbe (14a, 14b, 14c) aufweist, die im Statorkern in gleich-mässig voneinander beabstandeten Nuten angeordnet sind.